百年動物克隆

付國斌

中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所 比較神經(jīng)心理學(xué)研究組，上海 200031；中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心，上海 200031

中國有句俗語：龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會打洞。雖然以前并沒有遺傳學(xué)，但這句話確實很好地體現(xiàn)了遺傳的穩(wěn)定性。遺傳中的可變性同樣可以用一句俗語體現(xiàn)：龍生九子，各有不同。在遺傳上，這種穩(wěn)定中帶有一定可變性的特征主要源自有性生殖，也就是子代的基因來自于父母雙方。例如：人的絕大部分基因在46條染色體上，父母雙方各貢獻23條。相對于有性生殖，如果龍生九子采用無性生殖，那結(jié)果將是九子的基因都來自于同一條龍，只需要母親，而且可能只需要一次生育，簡單高效。但是，高等動物一般采用有性生殖，無性生殖在細菌、植物和低等動物中才普遍存在。造物主和其他生物對簡單高效有什么樣的態(tài)度是個未知數(shù)，但人類顯而易見是這種模式的忠實粉絲。生物學(xué)在最近百年來的進展使人類能夠?qū)o性生殖應(yīng)用在本是有性生殖的動物上，并有一個專門的詞匯：克隆(clone)。那么這個被人們廣泛熟知的生物學(xué)專業(yè)詞匯到底是什么含義？何時又為何能被人們熟知并引起廣泛關(guān)注？哪些動物已經(jīng)被克??？電影中的克隆人距離現(xiàn)實到底還有多遠？

1 克隆是什么

與其他很多專業(yè)詞匯一樣，克隆(clone)這個詞來源于古希臘單詞(klōn)，最初是指小嫩枝長成一個植物[1]，在20世紀走進生物學(xué)，主要指基因的復(fù)制，進入21世紀后更是應(yīng)用廣泛，早已超出早期的含義。即便在生物學(xué)內(nèi)，克隆的意義也各有不同：在分子生物上主要是指DNA的復(fù)制，在細胞學(xué)上指培養(yǎng)一群同基因組的細胞，在動物學(xué)上指獲得同基因組的生物個體[2]。本文主要討論動物克隆。

地球上早期出現(xiàn)的生命普遍采用有性繁殖，也是克隆的一種形式，而有性繁殖則出現(xiàn)的較晚，為什么是這樣呢？因為無性繁殖相對簡單和高效。例如：最常見的大腸桿菌可以直接通過DNA的復(fù)制和細胞分裂，產(chǎn)生2個大腸桿菌，而且只要條件合適，只需要15 min即可分裂一次。這意味著一個大腸桿菌在經(jīng)過一天的繁殖后，可以產(chǎn)生296個大腸桿菌，約是8×1028個，8萬億億億個，遠遠超過人類有史以來的數(shù)量總和。有性生殖則通常需要兩個個體各貢獻一半DNA，然后再融合成一個個體，進而產(chǎn)生后代。例如：人類是父母雙方分別產(chǎn)生精子和卵子，各包含23條染色體，然后精子和卵子融合成為受精卵再發(fā)育為個體。早期生命形式簡單，無法采用復(fù)雜的有性生殖。當復(fù)雜的多細胞生命體出現(xiàn)后，有性生殖才成為普遍方式。所有的高等動物都是有性生殖。

高等動物普遍采用有性生殖，那克隆在高等生物中是否自然存在呢？答案是肯定的。例如同卵雙胞胎，源自于同一個受精卵的分裂，具有同樣的基因組。這也是人工克隆動物的一個思路，將早期胚胎分為多個小的胚胎，然后再分別發(fā)育成多個個體。這種方式的成功是建立在早期胚胎細胞的可塑性(plasticity)上，此時細胞的命運依然可逆并具有全能性，而后期細胞，特別是已經(jīng)成熟的細胞并不具有這種特性。采用這種方式不僅在技術(shù)上存在困難，更為重要的是，因為必須用早期胚胎，這極大地限制了克隆的使用范圍。很多特性必須要等到個體成熟后才能獲知，而如果此時再想克隆此個體，或者像科幻電影中克隆已滅絕的生物，必須要換種思路：采用體細胞核移植(somatic cell nuclear transfer, SCNT)技術(shù)。顧名思義，移植細胞核是這種方式的必要過程，也是和上一種方式的最大區(qū)別。高等動物的基因主要集中在細胞核內(nèi)，將其細胞核移植到去核的卵子或早期胚胎中，再進一步發(fā)育，即可獲得和被移植個體同特征的個體(圖1)。體細胞核移植與胚胎分裂兩種方式最大的區(qū)別就是前者使用體細胞核，通過不斷擴增，數(shù)量上可以做到取之不盡，而且適用范圍廣。例如：上文提到的已滅絕生物無法找到胚胎細胞，只能使用體細胞核移植技術(shù)。狹義上的動物克隆就是指使用體細胞核移植技術(shù)的克隆，目前大多數(shù)動物克隆都是采用這種方式。

2 動物克隆歷程

最早的動物克隆可以追溯到19世紀，是德國科學(xué)家漢斯·德里施(Hans Driesch)在研究動物發(fā)育時完成的。1885年，德里施輕輕搖動海膽(sea urchin)的胚胎，發(fā)現(xiàn)這有可能導(dǎo)致胚胎分裂，而且分裂后的胚胎依然可以長成正常的海膽。通常情況下，從胚胎發(fā)育成個體這個過程是不可逆的，細胞在這個過程中逐漸成熟，其全能性和可塑性都在逐漸降低。然而，這個實驗證明了早期胚胎具有全能性和可逆性，為克隆的研究奠定了基礎(chǔ)。

圖1 細胞核移植克隆[3]

海膽的胚胎可以通過輕輕搖動分開，但其他動物的胚胎細胞之間的連接遠比此緊密，需要一定方式將它們分開。1902年，德國科學(xué)家漢斯·斯皮曼(Hans Spemann)用嬰兒頭發(fā)做成套索固定在兩個蠑螈(salamander)胚胎細胞之間，最終將它們分開，發(fā)現(xiàn)這兩個細胞也可以長成兩只蠑螈。如果是分裂進一步發(fā)育的胚胎細胞，則無法發(fā)育成蠑螈。這個實驗說明早期胚胎細胞能夠發(fā)育成個體，而更加后期的胚胎則不行。

20多年后的1928年，斯皮曼還在用嬰兒頭發(fā)和蠑螈胚胎做發(fā)育實驗，但手法更加嫻熟，也更加多樣。這次他將蠑螈的受精卵用頭發(fā)套索固定住，但只是擠壓成兩部分，并不分割它們。他發(fā)現(xiàn)含有細胞核的那部分可以繼續(xù)發(fā)育，經(jīng)過4次分裂后長成16個細胞。按照之前的經(jīng)驗，這16個細胞分開后是無法再發(fā)育成蠑螈的。但斯皮曼將頭發(fā)套索拿掉后，這次產(chǎn)生了一個特殊的細胞，它包含受精卵的細胞質(zhì)，而細胞核則是后期胚胎的細胞核。他將這個細胞單獨分開后，發(fā)現(xiàn)它能夠長成蠑螈(圖2)。這次實驗說明早期的細胞質(zhì)對克隆來說非常關(guān)鍵，而細胞核則可以來源于較為成熟的細胞，為后來的細胞核移植提供了借鑒。

圖2 1928年斯皮曼的蠑螈實驗[4]

在以上實驗的基礎(chǔ)上，1952年，美國科學(xué)家羅伯特·布里格斯(Robert Briggs)和托馬斯·金(Thomas King)成功地站在了巨人的肩膀上：將青蛙受精卵的細胞核移植到卵細胞中，并發(fā)育出胚胎。這是人類第一次用細胞核移植技術(shù)成功發(fā)育出胚胎，是克隆界的第一次里程碑式的進展。這次實驗成功進行了104次核移植，培育出35個胚胎，其中27個成長為蝌蚪。這種發(fā)育成功率在普通人看來可能很低，但在克隆界算是很高了，比接下來提及到的克隆界后輩簡直是高多了！這與此次實驗采用的動物及細胞有關(guān)。首先，青蛙體外排卵，卵細胞體積大，非常便于實驗操作；其次，細胞核來源于受精卵，本身具有發(fā)育成胚胎并長成個體的能力；最后便是青蛙受精卵在水中能成長發(fā)育，要求比較低。雖然實驗看起來采取了特殊的模式，但依然意義非凡，因為即便今日人類依然不清楚細胞核的取出和移植對細胞有怎樣的影響，這些影響非常有可能導(dǎo)致采用細胞核移植技術(shù)無法克隆成功，而這次實驗的成功從結(jié)果上肯定了這個技術(shù)的可行性，為動物克隆開創(chuàng)了一片天地。

雖然青蛙克隆實驗成功了，但人們的好奇心并不會因此而減弱，相反會變得更強，其中最重要的兩個疑問是成熟的體細胞核能否移植并發(fā)育，其他動物能否被克隆。不久之后的1958年，第一個問題便有了答案。英國科學(xué)家約翰·戈登(John Gurdon)成功地將蝌蚪的腸上皮細胞的細胞核移植到青蛙卵細胞里，并發(fā)育出胚胎。

肯定了第一個問題后，第二個問題的答案也沒有讓人們等太久。1963年我國科學(xué)家童第周在世界上第一次成功克隆了亞洲鯉魚，這次克隆是將一條雄性鯉魚的細胞核移植到雌性鯉魚的卵母細胞中。此外，1973年童第周還將亞洲鯉魚的基因移植到歐洲鯽魚中，第一次實現(xiàn)了種間克隆。童第周開創(chuàng)了中國克隆技術(shù)的先河，是實至名歸的“中國克隆之父”。

哺乳動物的受精卵比青蛙或蠑螈的小得多，難以操作。直到1975年，英國科學(xué)家德里克·布魯赫(Derek Bromhall)用微小的玻璃吸管將兔的胚胎細胞核移植到一個去核的兔卵子細胞中，并發(fā)育出了一個胚胎。這次實驗表明了哺乳動物能夠使用細胞核移植技術(shù)，但遺憾的是布魯赫并未將胚胎轉(zhuǎn)移到兔的子宮里面，所以胚胎未能發(fā)育成兔子。

1984年，丹麥科學(xué)家斯提恩·威拉德森(Steen Willadsen)在英國劍橋用化學(xué)方式將一個羊的胚胎分裂成8個細胞，然后通過電擊方式，將這些細胞與去核的卵子相融合形成一個細胞。在這個時候，體外發(fā)育已經(jīng)發(fā)展成熟，并應(yīng)用于治療人類不孕。所以威拉德森將這些羊的細胞轉(zhuǎn)移到羊子宮中，并最終發(fā)育出3個羊羔。盡管是使用胚胎細胞，但這是第一次將核移植技術(shù)應(yīng)用于哺乳動物，并發(fā)育出個體，是一次非常成功和有意義的實驗。

高等動物牛的克隆發(fā)生在1987年，與1984年的實驗方法類似，由于它們都使用胚胎分裂技術(shù)，而非用成熟的體細胞，影響力較小，沒有受到很大關(guān)注。

很快，克隆便得到了前所未有的關(guān)注，讓這個專業(yè)詞匯從生物學(xué)走進了大眾，走進了科幻電影。這就是1996年英國科學(xué)家基思·坎貝爾(Keith Campbell)和伊恩·威爾穆特(Ian Wilmut)用成熟體細胞成功克隆了一只羊——多莉。這是人類第一次用成熟的體細胞核成功克隆出哺乳動物，是克隆界的第二次里程碑式的突破。多莉一出生便名揚世界，應(yīng)該是迄今為止世界上最為出名的動物，足以比擬當紅明星，即便死后知名度依然不減。277次核移植，產(chǎn)生29個胚胎，放入13個代孕母羊子宮，最后有且只有多莉幸運地出生了[5]。這次艱辛而又享譽世界的實驗——從這組數(shù)據(jù)上可以看出——比起克隆界的前輩在概率上小太多了，只出生了一只，這還是建立在科研人員數(shù)百次的辛勤工作上，可能還有幸運的成分。多莉有3個母親子宮，分別為它提供了細胞質(zhì)、細胞核和子宮，它活了6年多，于2003年去世，3次生育共有6個后代?？蒲谐晒軌蛟诘谝粫r間就引起大眾關(guān)注的并不多，引起大眾關(guān)注并且有真正重大突破的可能還要再少一個數(shù)量級，而多莉絕對算是其中最亮眼的之一。它不僅第一時間進入了各大新聞版面，還給克隆界注入了迄今為止最為強勁的強心劑。多莉的誕生證明了克隆高等動物的可行性，并且可以正常生活和生育。自此之后，多種高等動物如雨后春筍般被克隆成功。

目前已經(jīng)被克隆的高等物種有20多種，其中克隆牛和鼠誕生在1997年，和人類相近的獼猴在1999年用胚胎分離克隆成功，克隆豬是2000年，兔、騾子、鹿和馬在2003年克隆成功，克隆狗、果蠅在2005年誕生，2009年克隆駱駝在迪拜誕生。近幾年來隨著科學(xué)的發(fā)展，克隆的應(yīng)用更加廣泛并開始走向商業(yè)。2009年一種滅絕的庇里牛斯山羊(Pyrenean ibex)被克隆成功，這是第一種已經(jīng)滅絕的物種被克隆，雖然它僅活了7 min，但為滅絕動物的再生打開了一扇窗口。2014年，深圳華大基因報道每年生產(chǎn)500只克隆豬，成功率為70 %～80 %。結(jié)合熱門的基因編輯技術(shù)，2017年一只基因編輯的狗在另一家中國公司誕生。

克隆技術(shù)在最近20年發(fā)展迅速，但與人類相近的非人靈長類動物的克隆進展并不順利。雖然可以進行核移植、電擊融合和胚胎發(fā)育，然而直到2017年克隆猴才成功出生在中國，而且先后出生了2只，分別是“中中”和“華華”，這也讓中國的克隆走到了世界的最前列。這是克隆領(lǐng)域在自從多莉誕生后的最大突破，并且真正地具有了一定的應(yīng)用前景，是克隆界的第三次里程碑式進展。

3 克隆人距離我們還有多遠

自從克隆羊多莉誕生之后，最近二十多年來克隆技術(shù)的發(fā)展越來越快，多種動物相繼被克隆成功，此時，大眾關(guān)心的一個核心問題就是克隆人距離我們到底還有多遠。

在2004年，韓國科學(xué)家黃禹錫宣稱已經(jīng)克隆了人類胚胎，立即引起很大爭議。后來證明這是一次科學(xué)上的造假，實際并沒有克隆出人胚胎。2013年，俄裔美國科學(xué)家米塔李波夫(Shoukhrat Mitalipov)使用皮膚細胞克隆了人類胚胎細胞，同樣在安全和倫理上引起了很大爭議。目前世界各國普遍禁止任何有關(guān)克隆人的研究。

克隆技術(shù)說起來并不復(fù)雜，將細胞核轉(zhuǎn)入到卵母或胚胎細胞質(zhì)中，然后即可像受精卵一樣發(fā)育。然而探索一個多世紀后，這其中的基本問題依然很多，例如：去核過程對細胞有什么影響？被移植的細胞核在進入胚胎細胞質(zhì)之后發(fā)生了什么？克隆的成功率和這些有沒有關(guān)系？有什么關(guān)系？如何讓受精卵在體外更好地發(fā)育？這些問題還需要時間和廣大科研人員的努力，而且目前看起來并不會輕松。當然，這些問題可能都不是克隆人能否成功的關(guān)鍵因素，畢竟多種動物，特別是克隆猴，都已經(jīng)克隆成功，在生物學(xué)上人類和它們并沒有本質(zhì)區(qū)別，可能只是技術(shù)上更難一些而已。我們距離克隆人可能只有一個玻璃窗的距離，而且這個玻璃窗主要是由于倫理問題導(dǎo)致世界各國普遍禁止克隆人研究。從技術(shù)上講我們距離克隆人非常地近，但倫理道德和法律禁止人們踏出這一步[6]。

4 克隆的意義

克隆技術(shù)的發(fā)展已逾百年，目前可以說取得了極大的突破。與其他很多基礎(chǔ)科研一樣，大家通常都要問問，克隆對我們到底有什么用？我只能給出一個比較令人失望的答案，克隆至今對人類來說依然沒什么實際用處。

雖然我們能夠克隆多種動物，但由于造價昂貴，至今還未找到實用價值。目前唯一有應(yīng)用前景的就是克隆猴，由于它與人類非常相似，克隆猴在神經(jīng)科研和醫(yī)療研究方面具有較大的前景，但能否實現(xiàn)還需要看后續(xù)的發(fā)展，例如時間和經(jīng)濟成本。

那么就會有人問了，克隆技術(shù)并沒有帶來實際的應(yīng)用價值，為什么在過去一百多年我們還會一直研究它？這個問題其實不是針對動物克隆，而是針對所有基礎(chǔ)科研?；A(chǔ)科研的特點之一就是在短期內(nèi)它確實沒什么用處，甚至也無法預(yù)見它將來的用處，正如無法預(yù)測一個嬰兒將來會做什么一樣?；A(chǔ)科研本質(zhì)上是人類對世界的好奇心，我們想知道和了解這個世界如何運轉(zhuǎn)，進而能夠加以改造，讓這個世界能夠更好地運轉(zhuǎn)，或者說按照人類更想要的方式運轉(zhuǎn)。然而，了解到改造通常都有比較遠的距離，往往需要歷經(jīng)百年以上的時間，超過了人的一生。我們應(yīng)當以正確的態(tài)度看待基礎(chǔ)科研，急功近利不可取。

克隆技術(shù)從一百多年前到現(xiàn)在，可以說一直沒什么實際應(yīng)用，但它的意義在這個過程中一直存在，那就是讓我們更好地認識了這個世界，認識了生物，認識了人類自己。與此同時，我們也正期待著它會給我們帶來一個更好的世界。

(2018年5月7日收稿)■